暗黒物質が頑固に検出を逃れるエキゾチックな粒子ではなく、宇宙の最初の1秒間に誕生した「原始的な」小さなブラックホールの群れであるとしたらどうなるでしょうか?
かつては非主流科学として嘲笑されていたこの奇妙なアイデアは、暗黒物質の探索が空振りを続ける中、非常に本格的に復活しつつある。しかし、原始ブラックホールの存在を示す実際の証拠は依然として稀であり、科学者が最終的にブラックホールを発見しない限り、これもまた宇宙的な希望的観測の事例となる可能性がある。
オーストラリアのスウィンバーン工科大学のレニー・キー率いる研究者らは、5月19日にプレプリントサーバーarXiv.orgに投稿された2つの論文で、まさにそれを達成したと述べている。それらの潜在的な原始ブラックホール（PBH）は、地球の月の3倍の重さの天体で、天の川のハロー（暗黒物質のほとんどが含まれていると考えられている、私たちの銀河のまばらな星の縁）の中を短時間漂っています。
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この結果は物議を醸しており、キー氏は「データに弱点」があることを認めている。しかし、宇宙の歴史についての私たちの理解を根本的に変え、現代の天体物理学の大きな謎の1つを解決する周期発見の可能性は、無視するにはあまりにも魅力的です。そして、さらなる実験でその主張が消え去ったとしても、暗黒物質の探索が複雑化し続ける中、科学者がいかに既成概念にとらわれずに考える必要があるかを浮き彫りにしている。
PBH は 1960 年代に初めて提案され、1970 年代に物理学者バーナード・カーと物理学者故スティーブン・ホーキング博士によって詳細に研究されました。カーとホーキング博士は、ビッグバン後の最初の4分の1秒で、膨張する宇宙の物質が密集した領域が自らの重力で崩壊し、素粒子より軽いものから星よりもずっと重いものまで、幅広い質量を持つ無数のブラックホールが形成された可能性があると提案した。
このようなブラックホールは検出が非常に難しいため、宇宙の暗黒物質（目に見えない光のない物質）の一部またはすべてを説明できる可能性があります。 何か それは銀河と銀河団を結び付ける重力接着剤のように見えます。しかし、PBH が最初に提案されてから数十年間、天文学者は、これらのブラック ホールが暗黒物質の原因となる可能性のある多くのシナリオを除外し、その可能性のある質量範囲を狭める賢い方法を発見しました。 「PBH には非常に多くの制約が存在します」と、英国のダラム大学の理論素粒子物理学者、デジョナ・クロンは言う。彼はキーらの研究には関与していない。それを見つけられたら、それは「並外れた」発見になるだろうと彼女は付け加えた。
現在、専門家らは、暗黒物質粒子は電子の数兆質量から陽子の質量の1,000倍まで、信じられないほど広い質量範囲に収まる可能性があると主張しています。それらを探すことは、宇宙の干し草の山から針を探すようなものです – 「干し草の山」がさまざまなサイズの針でできており、ターゲットの針がどのくらいの大きさにすべきかわからない場合。 PBH に対するより厳しい制約は、暗黒物質の大部分またはすべてを構成する場合、典型的な PBH は小惑星程度の質量を持つ必要があることを示唆しています。確かに非常に小さな「針」ですが、それでも実行可能なタスクです。
フィービーと名付けられた、月より重いと推定されるケイ ブラック ホールは例外です。研究チームは、2019年にチリのセロ・トロロ・インターアメリカン天文台にあるダークエネルギー・カメラを使った5晩の観測でそれを発見した。キーと同僚たちは、望遠鏡にいる間、毎分ごとに、約16万3000光年離れた矮小銀河である大マゼラン雲にある約1000万個の星の写真を撮り、目の前を短時間通過し、宇宙の歪む重力場で光を増幅させる不正ブラックホールによって瞬間的に明るくなった星を探した。
マイクロレンズ現象として知られるこのまれで一時的な現象は、天の川銀河内およびその周囲の PBH の主な探索戦略の 1 つです。そして、それは、太陽の2倍の大きさと推定される星が、1時間の間に突然はるかに明るくなり、その後同じくらい早くベースラインに戻ったときに見たものであるとキーと彼女のチームは考えています。
この効果は、光を増強するPBHではなく、恒星の変動、つまり恒星からのげっぷから来ている可能性があります。あるいは、この増光は、私たちの銀河系のどこかにある自由惑星（FFP）によって引き起こされたのかもしれません。自由惑星（FFP）は、独自の PBH を模倣したマイクロレンズ現象を引き起こす可能性のある異星惑星系から放出された世界です。 (フィービーは、FFP と PBH のイニシャルにちなんで名付けられました。)
しかし、これらのシナリオを徹底的にモデル化した後、研究チームが見たものに最もよく一致するのは、地球から約6万光年離れた月の質量の3倍のブラックホールであり、天の川のハローの中を秒速約300キロメートルで移動していることが判明した。もし本当であれば、ブラックホール自体はその質量にもかかわらず非常に小さく、その範囲は「人間の髪の毛の直径よりも小さい」ことになる、とキー氏は言う。
マイクロレンズは一回限りの幾何学的配置に依存しているため、私たちの視線を完全に通過してイベントを引き起こした遠方の物体は二度と見ることができません。キーの主張を検証するために利用できるいくつかの方法のうち、最も有望なものは、星の変動の兆候がないか遠方の星を監視することです。オーストラリア国立大学の天文学者で論文の共著者であるケン・フリーマン氏は、星が同じように再び明るくなった場合、「マイクロレンズ関連ではないと強く疑われる」と話す。
もし PBH が存在するなら、暗黒物質以上のものを説明できる可能性があります。太古の昔に生まれた彼らは、ほとんどの大きな銀河の中心に見られる数百万から数十億の太陽質量の星である超大質量ブラックホールの不明瞭な起源も説明できるかもしれない。ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による観測では、ビッグバンからわずか7億年後に太陽質量5000万個のブラックホールが最近発見されたなど、宇宙初期の銀河でこのような大きなブラックホールが発見されている。これまで科学者たちは、これらの巨人がどのようにしてこれほど急速に成長したのかを説明するのに苦労していましたが、PBHが答えになる可能性があります。マサチューセッツ工科大学の物理学者デイビッド・カイザー氏は、かさばるPBHから成長することで、「これらの超大質量ブラックホールには始まりがあったのかもしれない」と語る。
当然のことながら、誰もがフィービーが本物のPBHであると確信しているわけではありません。ワルシャワ大学の天文学者プシェメク・ムロズ氏は、もしそれが本当に月質量ブラックホールであるなら、同氏がチームメンバーである光学重力レンズ実験（OGLE）と呼ばれる大マゼラン雲と小マゼラン雲のマイクロレンズ調査など、他の探査でも同様の天体が見られたはずだと述べている。 「私たちのデータにはそのようなマイクロレンズ現象が何百も見られるはずです」と彼は言い、他の説明の可能性が高くなります。 「それは地球型変光星にのみ一致します。」
キー氏によれば、彼女のチームがこのイベントを見ることができたのは単に「幸運だった」だけかもしれないという。おそらく、ほとんどの PBH は小惑星の質量よりも小さく、フィービーのように大きいものは発見されたばかりである可能性があります。ハワイのすばる望遠鏡による最近の観測は、この考えをある程度裏付けています。 2月に発表されたプレプリント論文では、日本のカブリ数物連携宇宙研究機構の杉山直率いるチームがアンドロメダ銀河を観測し、12件のフィーベのようなマイクロレンズ現象を報告したが、その一部は天の川ハローのPBHによって引き起こされた可能性がある。 「私たちの候補者は月質量スケールにもあります」と杉山氏は言う。しかし、マローズ氏は、これらの事例はいずれも実際のマイクロレンズ現象ではなく、通常の変光星の変動にすぎないと主張する。
明らかに、これらの検索を実行するのは困難です。星の明るさの顕著な変化を検出するには、比較的小さな PBH が有利であるため、画像を少なくとも数分ごとに高速で撮影する必要があります。これらすべての画像をフィルタリングすると、さらなる課題が生じます。たとえば、キーによる 5 日間の観察では、テラバイト規模のデータが生成されました。このような大量のデータを処理するように設計され、パノラマ光学系を誇る新しいプロジェクト（チリのベラ・C・ルービン天文台や、今年後半に打ち上げられるNASAのローマ・ナンシー・グレース宇宙望遠鏡など）は、この探索に適しているかもしれない。
PBH は、マイクロレンズ以外の方法でもその存在を明らかにすることができます。昨年、カイザーと彼の博士号は学生のアレクサンドラ・クリッペルは、シチリア島沖のKM3NeTと呼ばれる部分的に無傷の検出器で検出された強力なニュートリノはPBHの爆発によって引き起こされた可能性があると提案した。ホーキング放射と呼ばれるプロセスにより、ブラックホールから粒子が放出され、時間の経過とともに実際に蒸発します。そして、ブラックホールの質量が小さいほど、蒸発が速くなり、最終的に高エネルギー放射線の放出が指数関数的に加速されます。これは、ブラックヘッドが爆発的に消滅し、宇宙のさまざまな時期に低質量のPBHが爆発することを意味します。可能な限り最小の PBH はずっと前にこの方法で消滅しているはずであり、今日爆発するのは小惑星のより低質量の PBH であるでしょう。カイザーとクリッペルは、これらのいずれかが KM3NeT ニュートリノを引き起こす可能性があると示唆しました。このアイデアには依然として激しい議論が続いています。 「それが理にかなっているとは思えません」とジョージア工科大学のニュートリノ天体物理学者イグナシオ・タボアダは言う。 「もしこのニュートリノが本当に原始ブラックホールから来たものなら、何らかの形でガンマ線で見ることができたはずです。」
カイザーはまた、フランスの天文学者チームと協力して、PBH が太陽系を時折通過することによって引き起こされる可能性のある火星の位置の変化を探しています。カイザー氏もそれは難しいと認めているが、それでも探求するのは興味深い。 「私は今でもこのアイデアに夢中です」と彼は言います。
一方、昨年、LIGO-Virgo-KAGRA共同研究により重力波を使用して検出された2つの天体の合体は、両方の天体が太陽質量よりも小さい可能性があるため、科学者の興味をそそりました。それらの物体がブラックホールである場合、それらが発生する唯一の既知の方法は、一次生成によるものです。 「この塊の中の黒人は原始的なもの以外に何もあり得ない」とフリーマンは言う。
キーのような天文学者にとって、一瞬の星の光を求めて空を探索することは、依然として PBH を見つけるための最大の希望です。すでにダークエネルギーカメラからのより多くのデータを精査しており、今回は1億個の星を対象として、より多くのマイクロレンズ現象を探しています。おそらく、もしかしたら、私たちは間もなく、フィービーのような原始ブラックホール候補が天の川の周囲を旋回しながら通過するのを目撃することになるでしょう。
